3D Modellierung eines Karnischen Ammoniten- Massenvorkommens

R. Marschallinger, W. Wanker, F. Zobl: Beiträge zur COGeo 2010. doi:10.5242/cogeo.2010.0000
3D Modellierung eines Karnischen Ammoniten‐
Massenvorkommens
(Taurus, Türkei; FWF P22109‐B17)
Susanne MAYRHOFER, Alexander LUKENEDER
Peer-reviewed COGeo 2010 contribution
doi:10.5242/cogeo.2010.0006
Zusammenfassung
Die Ober-Trias im Gesamten und die Karnische Stufe im Speziellen wurden von einer der umfangreichsten
ökologischen Krisen des Mesozoikums heimgesucht, der Karnischen Krise (=
Carnian Pluvial Event), wobei die karbonatischen Plattformen abstarben und mit ihnen die meisten
Riffbildner verschwanden (SIMMS & RUFFEL 1989; HORNUNG 2008). Die zu untersuchende
Orthoceltites Vergesellschaftung (Ammoniten, Cephalopoden) wurde während der Karnischen
Krise an der Grenze der Kartoz und Kasimlar Formation (Anatolien, Türkei) abgelagert
(KRYSTYN et al. 2002; GALLET & al. 2007) und kann als Mandat für die Umweltbedingungen
dieser Zeit und der biologischen Krise im Karnium fungieren. Zu erwähnen ist, dass bis heute die
genaue Ursache der Karnischen Krise unter heftiger Diskussion steht. Die Hauptthematiken dieser
Studie sind die paläoökologische, paläobiogeographische, litho-, zyklo- und
magnetostratigraphische Entwicklung des Ober-Trias (Karnium) Ammoniten Massenvorkommens
an der Lokalität Asagiyaylabel (Türkei), gebildet zur Zeit der Karnischen Krise. Dieses
Gebiet ist eine Schlüssel-Lokalität im Taurus Gebirge und hat eine verbindende und zwischengelagerte
Position. Zur Zeit der Ober-Trias lag das Gebiet an der Westspitze des Kimmerischen
Systems und wies Verbindungen zum Neo-Tethys und zum Paläo-Tethys Ozean auf. Neue Einsichten
in die Taxonomie und die Paläoökologie der zu untersuchenden Ammoniten und den
dazugehörigen Makro- und Mikrofossilien werden erwartet. Die massenhaften Ammoniten
Orthoceltites, mindestens 200 Millionen Exemplare, werden als Vertreter einer neuen Art angesehen.
Weitere Themen der Untersuchungen sind die ursprüngliche Position und die Umweltbedingungen
des Ablagerungsraumes bei Asagiyaylabel im Taurus Gebirge. Die Bildung der Ammoniten
Lagen ist entweder autochthon oder allochthon (transportiert) begründet. Resultate der
3D Modellierungen sind grundlegend für die geodynamischen, paläoozeanographischen und
paläobiologischen Schlussfolgerungen. Das führt weiter zur Fragestellung der ursprünglichen
Wassertiefen während der Bildung des Ammoniten Massenvorkommens. Ein Ziel dieses ‘multitasking’
Projektes ist es, die Zusammenarbeit mit verschiedenen Wissenschaftsparten wie der
‚Structural Processes Group’ und der ‚Geometric Modelling Group’, zu unterstreichen. Interdisziplinäre
Zusammenarbeit mit anderen Wissenschaften ist in modernen Zeiten essenziell. Statistische
Analysen der Orientierung (z.B. Imbrikation) der Ammoniten Schalen kann auf Strömungen
oder Transport Richtungen hinweisen. 3D Modellierung von Kalzit-Zementen (fossile Wasserwaagen)
und diagenetisch gebildeten Kalzit-Adern, welche die Ammoniten durchbrechen,
komplettieren die geometrischen Rekonstruktionen und werfen Licht auf biostratinomische (vor
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Susanne Mayrhofer und Alexander Lukeneder
der Einbettung) und folgende diagenetische (nach der Einbettung) Prozesse. Die Kombination
von Analysen verschiedener Fossilgruppen, in Verbindung mit Isotopen, der Magneto- und
Zyklostratigraphie, geochemischen Daten, sowie der 3D Rekonstruktionen wird helfen Details
der Ober-Trias und der Krisen des Mesozoikums zu lösen. Meeresspiegelschwankungen und
Klimaänderungen können deutlicher erscheinen und der ‘Motor’ hinter einem solchen Niedergang
besser verstanden werden. Untersuchungen an Lokalitäten wie Asagiyaylabel können als
Lösungsansatz für die Karnische Krise dienen.
1 Einführung
1.1. Geographie und Geologie
Das paläogeographische Arbeitsgebiet des Anatolischen Systems (Taurus, Türkei) war in der
Trias durch Mikroplatten inmitten der West-Tethys charakterisiert (Abb. 1). Die westliche Grenze
der Neo-Tethys wurde durch einen Teil der so genannten Kimmerischen Blöcke gebildet
(DECOURT 1993, 2000; SCOTESE et al. 1989; SCOTESE 1998, 2001; STAMPFLI & BOREL 2002;
STAMPFLi et al. 2002). Durch die Ausdehnung der Paläo-Tethys bildete sich zwischen dem Afrikanischen
Kontinent und den nördlichen Kimmerischen Superterrains die neu entstandene Neo-
Tethys. Diese Kimmerischen Blöcke inkludierten die heutige Türkei, den Iran, Afghanistan, Tibet
und Malaysia. Nördlich dieser Kimmerischen Blöcke hatte die „alte“ Paläo-Tethys weiterhin
offene Verbindungen nach Norden. Das Gebiet um Asagiyaylabel war höchstwahrscheinlich Teil
dieser Blöcke. Das Orthoceltites Massenvorkommen der Obertrias (Karnische Stufe) wurde innerhalb
eines Intraschelfbeckens in diesem Bereich gebildet. Dieses außergewöhnliche Ammoniten
Massenvorkommen (Orthoceltites sp.) befindet sich direkt über den grauen Plattformkarbonaten
der Kartoz Formation (Abb. 1). Riffe und Plattformen erlebten innerhalb des Karniums
einen enormen Rückgang (= Karnische Krise bzw. Carnian Pluvial Event). Schwarze Kalke der
Orthoceltites Schichten zeigen einen drastischen Wechsel der Umweltbedingungen zur Zeit der
Bildung an. Diese Schichten sind überlagert von mergeligen Kalken welche wiederum von hunderten
Metern von schiefrig verwitternden Mergeln überlagert werden.
1.2. Der Schlüsselaufschluss
Der Aufschluss Asagiyaylabel befindet sich im Südwesten der heutigen Türkei, 90 km nordöstlich
von Antalya beim Golf von Adalia, und ca. 70 km südöstlich von Isparta (Abb. 1), zwischen
den Seen Egirdir (NW) und Beysehir (NE). Die steil aufgeschlossenen Kalkbänke liegen ca. 300
m westlich der kleinen Ortschaft Asagiyaylabel. Die Neigung der fossilreichen Orthoceltites
Schichten beträgt ca. 45° gegen NE. Tektonisch zählt das Gebiet um Asagiyaylabel zum Anamas
Autochthon welches sich innerhalb der so genannten Taurus Plattform Einheiten befindet
(ROBERTSON 1993, SENEL 1997). Das Anamas Autochthon, welches auch Karacahasir-
Autochthon genannt wird, beinhaltet Mittel- bis Obertriassische Kalke sowie mergelige Kalke
und „Schiefer“ bis zu einer Mächtigkeit von 500 m. Die Hauptformationen innerhalb der untersuchten
Lokalität sind die Mittel- bis Obertriassische (Ladinische bis Karnische) Kartoz Formation
sowie die Obertriassische (Karnische) Kasimlar Formation. Während die Kartoz Formation
aus Flachwasserkarbonaten besteht, beginnt die Kasimlar Formation nach einer stratigraphischen
Lücke, mit den bereits erwähnten Orthoceltites Schichten (schwarze Ammoniten-Kalke). Darüber
lagern hemipelagische Kalke gefolgt von hunderten Metern von mergeligen „Schiefern“ mit
Schill-Lagen von Bivalven (Halobia sp.) und selten Ammoniten. Die Stratigraphie dieses Auf-

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schlusses beruht auf Untersuchungen von Conodonten, Ammoniten sowie halobiiden Bivalven
(KRYSTYN et al. 2002, GALLET et al. 2007).
Die Besonderheit dieses Aufschlusses stellt ein bereits erwähntes Ammoniten Massenvorkommen
(Orthoceltites Schichten) an der Basis der Kasimlar Formation dar (Abb. 1 & 2). Dieses
Vorkommen wird stratigraphisch in das Karnium (Jul) gestellt welches dem weltweiten Interval
(innerhalb der Tethys) der so genannten Karnischen Krise (HORNUNG 2008) oder Carnian Pluvial
Event (SIMMS & RUFFEL 1989) entspricht. Ein Abschnitt der vom Jul 1/IIc bis and die Jul/Tuval
Grenze reicht. Die Orthoceltites Schichten gehören aufgrund biostratigraphischer Untersuchungen
der Austrotrachyceras austriacum Ammoniten Biozone an, welche laut GRADSTEIN et al.
(2004) von ca. 226 Ma bis 223 Ma andauerte.
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Susanne Mayrhofer und Alexander Lukeneder
Abb. 1: Stratigraphische Zeitskala (links) mit der Karnischen Stufe als Teil der Ober-Trias. Die paläogeographische
Position des Fundgebietes ist durch einen weißen Kreis markiert (zusammengestellt nach
SCOTESE 2001 und STAMPFLI et al. 2002). Lage der Lokalität an der Grenze Kartoz Formation vs. Kasimlar
Formation bei Asagiyaylabel (Bildmitte). Der Aufschluss mit angedeuteter Position der Orthoceltites
Schichten (rechts).
2 Ausgangssituation und Problemstellung

3D Modellierung eines Karnischen Ammoniten-Massenvorkommens
Bis heute fehlt es an detaillierten Untersuchungen und Publikationen mesozoischer Daten der
Lokalität Asagiyaylabel (Anatolien, Türkei; Abb. 1). Die känozoischen Becken, sowie Material
aus der Umgebung, wurden von KELLING et al. (2005) und DEYNOUX et al. (2005) zusammengefasst
und beschrieben. Während der 1970er Jahre konnte eine reiche Brachiopodenfauna aus
triassischen bis jurassischen Sedimenten des Gebietes zwischen den beiden Seen Egidir und
Beysehir aufgesammelt werden (AGER et al. 1978). Die Geologie der Südwest Türkei, im Speziellen
des Anamas Dag, wurde weitgehend von GUTNIC et al. (1979), ROBERTSON (1993) und
SENEL (1997) aufgenommen. Die Lokalität befindet sich zwischen der Antalya Sutur im Süden
und der Izmir-Ankara Sutur im Norden (ANDREWS & ROBERTSON 2002). Am westlichen Ende
des kimmerischen Kontinents gelegen, zeigte es zur Zeit der Trias Verbindungen sowohl zur
Neo- als auch zur Paläo-Tethys (DECOURT 1993, 2000; SCOTESE 1998, 2001; SCOTESE et al.
1989; STAMPFLI & BOREL 2002; STAMPFLI et al. 2002). Bis heute fehlen präzise paläontologische
Studien aus dem Gebiet um Asagiyaylabel. Solche „Fossillagerstätten“ (SEILACHER et al.
1985) deuten auf bestimmte Umweltbedingungen hin, spiegeln Paläodynamische Systeme wieder
und sind ein bedeutendes Hilfsmittel für Faziesanalysen und Marker-Schicht Korrelationen
(ERNST et al. 1983; BRETT & BAIRD 1996; BRETT et al. 1996; SEILACHER et al. 1985; KIDWELL
et al. 1986). Ammoniten sind innerhalb mariner Sequenzen der Trias bedeutende biostratigraphische
Indikatoren. Zu ihren Habitaten zählen der Schelf und das Pelagikum der obertriassischen
Neo-Tethys, dennoch ist deren Lebensweise bislang immer noch sehr umstritten (WESTERMANN
1990, 1996). Studien vergleichbarer Ammoniten Massenvorkommen zeigen die Bedeutung von
Ammoniten in der Paläoökologie (LUKENEDER 2001; LUKENEDER 2003 a, b; LUKENEDER 2004 a,
b, c, d; LUKENEDER 2005; LUKENEDER 2007; LUKENEDER & SMRECKOVÁ 2006). Die massenhaft
auftretenden Ammoniten der Gattung Orthoceltites werden als Vertreter einer neuen Art angesehen.
Eine weitere Fragestellung, ob die Ammoniten Lagen als autochthon (= an Ort und Stelle
entstanden) oder allochthon (= transportiert) anzusehen sind, soll gelöst werden. 3D Modellierungen
sind Voraussetzung für geodynamische, paläoozeanographische und paläobiologische
Schlussfolgerungen. 3D Analysen der Orientierung von Ammoniten Schalen können auf Strömungen
oder Transport Richtungen hinweisen. Dadurch können Meeresspiegelschwankungen
und Klimaänderungen verdeutlicht werden und der „Motor“ hinter einem solchen Niedergang
besser verstanden werden.
3 Methodik
Neben Methoden wie Mikrofossil-Analyse, Magnetostratigraphie, Zyklostratigraphie, stabile
Isotopen Untersuchungen, Gamma-log Spektren, Suzeptibilitäts-Messungen, Lithostratigraphie,
Fazies-Analysen und geochemischen-Analysen soll hier auf Methoden der 3D Modellierung
näher eingegangen werden. Der Versuch einer zerstörungsfreien 3D Modellierung mittels eines
Röntgen-CT´s (KETCHAM & CARLSEN 2001) schlug aufgrund der zu ähnlichen Dichte zwischen
Kalk (2,73 g/cm 3 ) und der durch Kalzit ersetzten Ammonitenschalen (2,715 g/cm 3 ) fehl. Aus
diesem Grund mussten wir bei der 3D Modellierung zu komplexeren Methoden greifen (Abb. 2
& 3).
3.1 3D Modellierung durch 2D Schnittbilder
Mit Hilfe des Softwareprogramms GoCAD soll eine 3D Rekonstruktion von Ammoniten
(Orthocelites sp.), von Kalzit-Zement, Kalzit-Klüften und Kalzit-Adern aus digitalisierten
Schnittbildern durchgeführt werden (Abb. 2). Durch die Kombination von „matching line features“
können individuelle Objekte aus importierten 2D Schnitten zu einem 3D Modell zusammengerechnet
werden. Statistische Analysen der Orientierung und der relativen Position (z.B.
Imbrikation) der Fossilien, aber auch Kalzit Zement Verteilung (Geopetal Strukturen) und post
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Susanne Mayrhofer und Alexander Lukeneder
diagenetische Kalzit Adern sollen aufgrund dieses geometrischen Modells errechnet werden. Die
Abfolge der Ablagerung und der anschließenden Verfüllung durch Sediment kann so besser verstanden
werden. 3D Volumenmodellierung aus klassifizierten Rasterdaten (Scan-/ Foto-) mittels
IDL (MARSCHALLINGER 1998 a, b, c; MARSCHALLINGER 2001) wäre eine weitere detaillierte
Möglichkeit. Mittels einer Software zur Umrissübereinstimmung wie z. B. CorresGrow
(HERBERT & JONES 2001) könnten auch verzweigte Strukturen erkannt und zu einem 3D Modell zusammengerechnet
werde. Ein eventuell zu geringer Kontrast der Grauwerte (unverfüllte Wohnkammer
vs. Sediment) könnte dabei allerdings Probleme verursachen.
3.1.1. GoCAD
Bei GoCAD (Geological Objects Computer Aided Design) handelt es sich um eine Software zur
Modellierung und Interpretation von geologischen Objekten. Mittels diskreter Modellierung (=
die Geometrie eines jeden Gegenstandes wird durch einen begrenzten Satz von Knoten/Punkten
im 3-dimensionalen euklidischen Modellraum abgebildet) können physikalische Eigenschaften
durch beigefügte Werte als Knoten modelliert werden (=Discret Smooth Interpolation) und somit
3D Volumenkörper dargestellt werden.
3.2. 3D Modellierung mittels 3D Laser Scans
Zusätzliche 3D Laser Scans von Oberflächen sollen mittels GoCAD visualisiert werden, und zur
Interpretation der Größen-, Orientierungs- und Verteilungsmuster der Ammoniten beitragen.
Zusätzlich können dadurch Volumen von Gesteinsblöcken, Ammoniten-Gruppen und von einzelnen
Ammoniten selbst, Holotypus etc., berechnet werden (sofern jede Ansicht der Stücke gescannt
wurde). Dazu sollen drei unterschiedliche Scan-Methoden zur 3D Digitalisierung zum
Einsatz kommen um miteinander ein optimales Ergebnis zu liefern (Abb. 3).
3.2.1 . Photosynth
Photosynth ist ein offen zugängliches online Programm (http://photosynth.net) das von einem
kleinen Team an Wissenschaftern, Ingenieuren, und Designern ins Leben gerufen und ständig
verbessert wird. Durch das Zusammenrechnen von digitalen 2D Photographien aus unterschiedlichen
Blickwinkeln kann eine 3D Ansicht sowie eine Punktwolke des Objektes erstellt werden.
Aus dieser Punktwolke soll innerhalb des Programms GoCAD eine 3D Oberfläche der Ammoniten
und der Ammoniten-Schicht rekonstruiert werden. Diese Rekonstruktionen erlauben exakte
Messungen von Distanzen und Volumina.
3.2.2. 3D David Laser Scanner
Der David Laser Scanner ist ein sehr kostengünstiges 3D Scanner System. Er arbeitet nach dem
Prinzip der Triangulation durch Licht-Schnittverfahren. Oberflächen können so sehr präzise und
detailliert dreidimensional eingescannt werden. Eine Kalibrierfläche welche sich hinter dem zu
scannenden Objekt befindet liefert mit Hilfe eines automatisch bewegten Lasers (optional Handgeführt)
und einer synchronisierten Kamera sehr detaillierte Scan-Ergebnisse.
3.2.3. Faro Laser Scanner

3D Modellierung eines Karnischen Ammoniten-Massenvorkommens
Der neue FARO® Laser Scanner Photon 120/20 bietet zusammen mit der neuen Software-
Version FARO Scene 4.6 den momentan schnellsten Phase Shift Laser Scanner (976.000 Punkte
/ Sekunde) mit der größten Reichweite auf dem Markt. Die neuen technischen Features des Photon
120/20 machen den Scanner zum einzigartigen System für schnelle High-Performance 3D-
Aufnahmen bei reduziertem Rauschen dank Hypermodulation. Flächen und Hüllen von Ammoniten
und Schichten können so lückenlos dargestellt und digitale Schnitte gelegt werden.
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Susanne Mayrhofer und Alexander Lukeneder
Abb. 2: Das monotone Ammoniten Massenvorkommen bei Asagiyaylabel. Unbehandelte, bedampfte und
polierte Orthoceltites Schicht (oben). Serienanschliffe für die 3D Modellierung der Fossilschicht (Bildmitte).
Ammoniten-Block (ca. 15 x 15 x 8 cm) in Betonblock (links unten). Details der Ammoniten-
Schicht aus Serienschliffen (Ammoniten mit Kalzit-Füllung). Top der Schicht mit Muschellage (links),
Kluft-Strukturen (Mitte) und Geopetal-Gefüge sowie Koralle (rechts).

3D Modellierung eines Karnischen Ammoniten-Massenvorkommens
Abb. 3: Laser-Punktwolke der Orthoceltites Schicht (links). Errechnetes 3D Bild (rechts).
4 Zielsetzung
Durch die Kombination der Untersuchung verschiedener Fossilgruppen mit Isotopenanalysen,
Magnetostratigraphie, Zyklostratigraphie, geochemischer Analysen und 3D Modellierungen soll
ein besserer Einblick in die obertriassische Geschichte möglich werden. Von besonderem Interesse
ist dabei der Abschnitt der Karnischen Krise. Diese weltweite Krise führte zur Zeit des
Karniums vor rund 225 Millionen im heutigen Taurusgebirge zur Ablagerung der schwarzen
Ammoniten-Bänke bei Asagiyaylabel. Diese führen an die 200 000 000 Exemplare der kleinwüchsigen
(bis 3 cm) Ammoniten Gattung Orthoceltites. Die 3D Modellierung spielt dabei eine
wesentliche Rolle inmitten der Untersuchungsmethoden. Sie hilft detaillierte Messungen von
Distanzen und Volumina vorzunehmen. Orientierungsmessungen anhand der 3D Rekonstruktionen
sollen Transport- und etwaige Strömungsrichtungen entschlüsseln. Die Frage der autochthonen
bzw. allochthonen Ablagerung soll hiermit geklärt werden. Die dreidimensionale Rekonstruktion
der Kalzit-Zemente (fossile Wasserwaagen = Geopetal-Gefüge) sowie der diagenetisch
gebildeten Kalzit-Adern (Klüfte, Risse etc.) soll zur Klärung tektonischer Fragestellungen beitragen.
Der räumliche Verlauf der Klüfte und deren Verfüllung durch Sediment zeigen zeitliche
Abfolgen und tektonische Richtungen während der Bildung solcher Massenvorkommen an. Die
Bildungsdauer solcher Ammoniten-Massenvorkommen ist ebenfalls noch nicht geklärt. Durch
die 3D Modellierung kann man Rückschlüsse auf die Ab- und mögliche Umlagerung der einzelnen
Ammoniten ziehen. Eine etwaige Kondensation, an der Basis der Kasimlar Formation, der
Fauna (Ammoniten, Muscheln, Schnecken, etc.) und des Sediments kann so genauer erkannt und
dokumentiert werden. Neue Erkenntnisse im Zusammenhang mit der Karnischen Krise und deren
Ursachen werden erwartet. Untersuchungen an Aufschlüssen dieses Zeitintervalls dienen als
Hinweise für diese bedeutende Krise des obertriassischen Tethys Ozeans. Stratigraphisch fällt
das untersuchte Massenvorkommen in das Karnium vom Jul 1/IIc bis and die Jul/Tuval Grenze.
Die Orthoceltites Schichten werden gegenwärtig in die Austrotrachyceras austriacum Ammoniten
Biozone gestellt was einer Dauer von ca. 226 bis 223 Ma entspricht. Das Endziel des Projektes
ist es, die Umweltveränderungen, ausgelöst durch Meeresspiegel- und Klimaschwankungen,
sowie den Motor hinter dem Karnischen Karbonat-Plattformrückgang mit gleichzeitigem Riffsterben
und einem markanten Umschwung in der Meereschemie, der Karnischen Krise oder
„Carnian Pluvial Event“, besser zu verstehen.
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Literatur
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Susanne Mayrhofer und Alexander Lukeneder
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